Hardening study of 28nm FDSOI technology at very high doses of ionizing radiation

Etude de durcissement de la technologie 28 nm FDSOI aux très fortes doses de radiation ionisante

• Auteur / Autrice : Alejandro Urena acuna
• Direction : Philippe Dollfus, Jean-Marc Armani, Mariem Slimani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 06/07/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'intégration des systèmes et des technologies (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2001-....) - Centre d'études nucléaires (Saclay, Essonne ; 1952-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Jury : Président / Présidente : Arnaud Bournel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Boch, Jean-Luc Autran, Luigi Dilillo, Lirida Alves de Barros Naviner
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Boch, Jean-Luc Autran

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnements ionisants

FD-SOI (transistors)

Microélectronique

Mots clés libres

Transistor CMOS

Compensation

Fully-Depleted-Silicon-On-Insulator

Dose totale ionisante

Fully-Depleted-Silicon-On-Insulator

Durcissement

Hardened

Fully-Depleted-Silicon-On-Insulator

CMOS transistor

Fully-Depleted-Silicon-On-Insulator

Compensation

Total Ionizing Dose

Résumé

Les rayonnements ionisants provoquent des dysfonctionnements dans les systèmes électroniques, de la simple erreur de calcul au dysfonctionnement total de l’appareil. À l'échelle nanométrique, les rayonnements ionisants d’énergie élevée produisent des charges susceptibles d'être piégées dans les oxydes isolants du dispositif. Ces charges piégées produisent des dégradations électriques qui se manifestent dans les dispositifs MOSFET par un décalage négatif de la tension de seuil, un affaiblissement de la pente sous-seuil et une augmentation des courants de fuite. La résilience des systèmes électroniques à ces dégradations est essentielle dans les environnements radiatifs tels que l'espace, les centrales nucléaires ou dans le cas le moins souhaité des accidents nucléaires.Ce travail vise à explorer deux axes de recherche dans le but d'étudier leur impact sur la récupération des caractéristiques électriques de dispositifs 28nm FDSOI ayant été exposés à des rayonnements ionisants. Cette thèse propose une nouvelle méthode de durcissement par régénération-compensation basée sur le dépiégeage des charges par application de cycles de recuit thermique d’une part et d’autre part sur la compensation électrique de la tension de seuil autorisée par la capacité inhérente à la technologie 28nm FDSOI d'appliquer une polarisation back-gate. Cette méthode a pu être validée par la modélisation physique des effets des rayonnements et des mécanismes de récupération, ainsi que par des expériences avec des dispositifs FDSOI. De plus, des simulations réalisées avec des cellules FDSOI basiques typiquement utilisées dans les circuits numériques ont permis de prédire leur dégradation et leur récupération, validant ainsi davantage la méthode de récupération proposée.

Ionizing radiation causes malfunction in electronic systems, from miscalculations to a total device failure. At nanometric scale, high-energy radiation produces charges liable to be trapped in the insulating oxides of the device. These trapped charges will produce electrical degradation that manifest in MOSFET devices as a negative threshold voltage shift, a subthreshold slope weakening, and an increase in leakage currents. The resilience of electronic systems to these degradation is essential in radioactive environments such as space, nuclear power plants or in the least desired case, nuclear accidents.This work seeks to explore two research approaches with the aim of studying their impact on the recovery of the electrical characteristics of 28 nm FDSOI devices after their exposure to ionizing radiation. This thesis proposes a new regeneration-compensation hardening method based on the detrapping of charges by applying thermal annealing cycles on the one hand and on the other hand the electrical compensation of the threshold voltage allowed by the inherent possibility of the 28nm FDSOI technology to apply a back-gate bias. This method could be validated through physical modeling of radiation effects and recovery mechanisms, as well as experiments with FDSOI devices. Furthermore, simulations carried out with basic FDSOI cells typically used in digital circuits enabled the prediction of their degradation and recovery, thus further validating the proposed recovery method.